JP2005091664A - 露光マスク - Google Patents

Abstract

【課題】設計パターン自体に補正を施すことなく光近接効果を補正した露光を行うことが可能な露光マスクを提供し、光リソグラフィによって形成される微細パターンの寸法制度の向上を図る。
【解決手段】透明基板３と、開口パターン５ａを有して透明基板３の一主面上に形成された遮光膜５とを備えた露光マスク１であって、開口パターン５ａの配置密度に応じて、開口パターン５ａの周縁となる遮光膜５部分を庇状に張り出させる状態で、開口パターン５ａの底部に露出する透明基板３部分に開口パターン５ａよりも一回り大きな開口形状の凹部３ａを設けた。凹部３ａ上における遮光膜５の庇部Ａの張り出し幅ｗは、開口パターン５ａの周辺配置密度毎に調整されている。
【選択図】図１

Description

本発明は露光マスクに関し、特には微細パターンを形成するための光リソグラフィに好適に用いられる露光マスクに関する。

現在、半導体装置の製造工程においては、半導体基板上に半導体素子用パターンを形成するために、主に光リソグラフィ技術を用いている。光リソグラフィでは、投影露光装置を用いることによって、露光マスクに形成されたマスクパターンを半導体基板上に塗布された感光性樹脂膜に転写し、その後、感光性樹脂膜の現像処理を行うことにより感光性樹脂パターンを得ている。この光リソグラフィで用いる露光マスクは、透明領域と遮光領域からなるパターンが形成された露光用原板であり、露光の際の縮小率が１：１でない場合は特にレチクルとも呼ばれるが、ここではいずれも露光マスクと称する。

近年、半導体装置の高集積化がますます進み、それに伴い半導体素子用パターンも、露光装置の解像限界付近まで微細になってきている。この様な解像限界付近のパターン形成においては、光近接効果（Optical Proximity Effect）の影響が顕著になる。この光近接効果とは、周辺にある他のパターンの影響を受けて、転写パターンの寸法及び形状が変化する現象である。この光近接効果の影響が顕著になると、マスクパターンを所望の寸法及び形状で半導体基板上の感光性樹脂膜に転写できなくなり、これにより半導体装置の歩留まりの低下や再生率の増加が引き起こされる。

そこで、上記光近接効果の影響を低減するために、露光マスクの作製には、光近接効果補正（Optical Proximity Correction：以下ＯＰＣと記す）と呼ばれる手法が適用されている。この手法は、あらかじめ光近接効果の影響を想定して露光マスクに形成するマスクパターンを設計パターンに対して変形させておくことにより、設計パターンにより近い所望の寸法及び形状の感光性樹脂パターンを得る方法である。この様なＯＰＣ手法には、所望の寸法を得るためにマスクパターンのサイズを変えるマスクバイアス法（下記特許文献１参照）や、ハンマーヘッドやジョグと呼ばれる解像限界以下の微細パターンを配置して所望の形状を得るモデルベースＯＰＣ等がある。

特開平９−３０４９１３号公報（特に段落００１４参照）

図４は、１１０ｎｍ幅のラインを配置したラインアンドスペース（Ｌ／Ｓ）パターンの形成に対して、マスクバイアス法によるＯＰＣを適用して作製した露光マスクを用いた場合（ＯＰＣ後）の効果を示すグラフである。このグラフにおいては、横軸にＬ／Ｓパターンのピッチ（Ｐｉｔｃｈ）を示し、縦軸に感光性樹脂パターンの仕上がり寸法（Critical Dimension）を示している。比較として、比較としてＯＰＣを施さずに作製した露光マスクを用いた場合の感光性樹脂パターンの仕上がり寸法（ＯＰＣ前）を示した。このグラフから、マスクバイアス法によるＯＰＣを適用して作製した露光マスクを用いることで、Ｌ／Ｓパターンのピッチに対する仕上がり寸法の変動が小さく抑えられることがわかる。

しかしながら、先に説明したマスクバイアス法においては、設計パターンに対してマスクパターンの寸法（マスク寸法）を変化させる補正を行う際、不連続でしかもある一定の刻みでしかマスク寸法を変化させられないという問題がある。これは、露光マスクを作成するためのマスクデータ作成及び描画装置の露光データが、全てｘ，ｙ方向とも等間隔のグリッド上に乗っており、このグリッドサイズはマスク描画装置での制限で決定されているためである。

現在、最小グリッドサイズとしてはウェハ（半導体基板）上の寸法で１．０ｎｍ程度まで設定可能ではある。ところが、グリッドサイズを小さくするとマスク描画時間が増大すると言った問題が発生する。したがって、生産性を考慮すると、グリッドサイズをある程度の大きさに保つ必要があり、より微細化が進んだパターンの形成において、より精度の高い寸法制御を行うことが困難な状況となっている。

特に、露光装置の解像限界付近にまで微細化されたパターンを形成する場合においては、マスクパターンの寸法変化が感光性樹脂パターンに対して増大して転写される、いわゆるＭＥＦ（Mask Error Factor）の影響が大きくなるといった問題も発生する。ＭＥＦとは、マスクパターンの寸法変動が感光性樹脂パターンに転写される際の比例定数であり、ＭＥＦ＝１．０の場合、マスクパターンの寸法変動は１：１で感光性樹脂パターンに転写され、ＭＥＦ＝２．０の場合のマスクパターンの寸法変動は１：２で感光性樹脂パターンに転写されることになる。

図５は、ホール径１２０ｎｍφ、ピッチ２００ｎｍのパターンにおける、ＭＥＦのシミュレーション結果を示したものである。ただし、製造プロセスにおけるマージン確保を考慮し、マスク寸法（Ｍａｓｋ）１３０ｎｍφのマスクパターンを、感光性樹脂パターンの仕上がり寸法（Critical Dimension：ＣＤ）１２０ｎｍφに転写することを想定して計算されている。尚、図５のグラフには、露光装置のレンズ開口数ＮＡが０．７０の場合と０．７５の場合を示した。

この図５に基づき、下記表１に示すように、設計パターンに対して±４．０ｎｍのマスクバイアスをかけたマスク寸法（Ｍａｓｋ）＝１３０±４ｎｍφの範囲でＭＥＦの値を計算したところ、ＭＥＦ＝６．４〜９．３となり、マスクパターンの寸法変動が約６〜９倍となって感光性樹脂パターンに転写されることがわかる。

通常、マスクバイアスは、マスクパターンの中心に対して、左右あるいは上下に対称にかけられる。したがって、上述したように、マスク描画の最小グリッド１．０ｎｍでマスクバイアス法によるＯＰＣを行うとすると、マスクバイアスは最低でも２．０ｎｍ（左右あるいは上下に１．０ｎｍのマスクバイアス）かけられることになる。ここでＭＥＦを先のシミュレーションで求めた６．０と仮定すると、感光性樹脂パターンの寸法変動は１２．０ｎｍとなる。したがって、現状においては、マスクバイアス法によるＯＰＣでは、１２．０ｎｍ以下の精度での感光性樹脂パターンの寸法制御ができないことになる。

また、上述したマスクバイアス法と同様に、設計パターンに対して解像限界以下の微細パターンを配置するモデルベースＯＰＣであっても、微細パターンの配置状態に制約があるため、同様の問題が発生する。

そこで本発明は、設計パターン自体に補正を施すことなく光近接効果を補正した露光を行うことが可能な露光マスクを提供し、光リソグラフィによって形成される微細パターンの寸法制度の向上を図ることを目的とする。

このような目的を達成するための本発明の露光マスクは、透明基板の一主面上に、開口パターンを有する遮光膜を設けた露光マスクであり、特に、各開口パターンの周辺パターン密度に応じて、当該各開口パターンの底部に露出する透明基板部分に凹部を設けたものである。この凹部は、開口パターンの周縁となる遮光膜部分を庇状に張り出させる状態で、開口パターンよりも一回り大きな開口形状を有していることとする。

このような構成の露光マスクにおいては、開口パターンの底部に露出する透明基板部分に設けられた凹部と、この凹部上に庇状に張り出した遮光膜部分とで囲まれた部分が、透明基板側から照射されて開口パターンを通過する露光光の光導波管となる。このため、この光導波管を介して開口パターンを通過する露光光の光強度が、光導波管効果によって補正される。ここで、光露光においては、各開口パターンの周辺パターン密度に応じた大きさの光近接効果によって、当該各開口パターンの転写面においての露光光の光強度分布に変化が生じるが、上述した凹部は、各開口パターンの周辺パターン密度に応じて設けられている。このため、光近接効果に由来する光強度分布の変化が、上述した導波管効果によって補正されることになる。

以上説明したように、本発明の露光マスクによれば、設計パターン自体に補正を施すことなく光近接効果が補正されたパターン露光を行うことが可能となる。これにより、露光装置の解像限界の近くにまで微細化されたパターンであっても、ＭＥＦの影響を小さく抑えた光露光による寸法制度の向上を図ることが可能になる。

以下、本発明の露光マスクを図面に基づいて詳細に説明する。

図１（１）は実施形態の露光マスク１の平面図であり、図１（２）は図１（１）におけるＡ−Ａ’断面図である。尚、図１（１）は、図１（２）を下方から見た平面図となっている。これらの図に示す露光マスク１は、光リソグラフィにおけるパターン露光の際に用いる露光マスク１であり、例えばＬＯＧＩＣ混載ＤＲＡＭのような半導体装置の製造工程において、ポジ型の感光性組成物膜にコンタクトホール用のホールパターンを形成するために用いられるものである。

この露光マスク１は、透明基板３と、この透明基板３の一主面上に形成された遮光膜５とを備えている。

遮光膜５には、複数の開口パターン５ａが様々な配置状態で設けられている。例えば、露光マスク１においてＬＯＧＩＣ形成部に対応する第１領域１ａには、開口パターン５ａが孤立パターンとして、すなわち、各開口パターン５ａを通過した露光光が互いに影響を及ぼすことのない程度の間隔で配置されている。一方、露光マスク１においてＤＲＡＭ形成部に対応する第２領域１ｂには、複数の開口パターン５ａが規則正しく密に並列配置されている。

そして特に、各開口パターン５ａが密に配置されている第２領域１ｂにおいては、各開口パターン５ａの底部に露出している透明基板３部分に、凹部３ａが形成されている。これに対して、孤立パターンとして設けられた第１領域１ａの開口パターン５ａ底部の透明基板３部分には、凹部が設けられていない。

第２領域１ｂに設けられた各凹部３ａは、開口パターン５ａよりも一回り大きい開口形状を有している。そして、凹部３ａの開口上部には、開口パターン５ａの周縁を構成する遮光膜５部分が庇状に張り出している。

これらの各庇状部分（以下、庇部と記す）Ａの張り出し幅ｗは、各開口パターン５ａの周辺パターン密度によって適切な値に設定されていることとする。すなわち、この張り出し幅ｗは、当該露光マスク１を用いた光露光の際に、各開口パターン５ａの転写面において生じる光近接効果による露光光の光強度分布の変化を補正できる値に設定されているのである。

つまり、このように開口パターン５ａ底部の透明基板３部分に凹部３ａを設けることで、この凹部３ａを透明基板３側から入射して開口パターン５ａを通過する露光光の光導波管とし、さらに庇部Ａの張り出し幅ｗにより、この光導波管の光導波管効果による光強度分布の補正量を制御する構成となっている。

ここで、光導波管の光導波管効果は、庇部Ａの張り出し幅ｗが大きいほど高く、庇部Ａの張り出し幅ｗと、凹部３ａの深さｄと、開口パターン５ａの開口面積Ｓとによって決められる。このため、各開口パターン５ａにおける庇部Ａの張り出し幅ｗは、凹部３ａの深さｄと開口パターン５ａの開口面積Ｓとともに、各開口パターン５ａの周辺パターン密度を因子としたシミュレーションによって、ある周辺パターン密度で配置された開口パターン５ａの転写においての転写面における光近接効果による光強度分布の変化が補正される値に設定されていることとする。

例えば、開口パターン５ａの開口面積Ｓが０．０５μｍ²、凹部３ａの深さｄが３４０ｎｍで有る場合には、庇部Ａの張り出し幅ｗが１００ｎｍで、凹部を設けていない分部の光強度と同程度になり、庇部Ａの張り出し幅ｗが１００ｎｍ以上では、庇部Ａの張り出し幅に応じて光強度が強められる。

したがって、この場合、第２領域１ｂの凹部３ａ上に、１００ｎｍよりも小さい張り出し幅ｗの庇部Ａを設けることで、開口パターン５ａの転写面において生じる光近接効果による露光光の光強度の上昇が抑えられるようにする。また、第２領域１ｂにおける庇部Ａの張り出し幅ｗは、第２領域１ｂの開口パターン５ａの転写面において生じる光近接効果による露光光の強度の変化（上昇）を抑えられる程度に設定されることとする。

尚、第２領域１ｂに配置される開口パターン５ａが同一形状であり、各開口パターン５ａ下の凹部３ａが同一深さｄであり、これらの開口パターン５ａが同一ピッチで配置されていて、転写面において同様の光近接効果が生じるとすれば、第２領域１ｂにおける各庇部Ａの張り出し幅ｗは同一に設定されることになる。一方、互いに光近接効果が及ぶ程度に密に開口パターン５ａが配置された複数の領域が存在し、各領域に配置される開口パターン５ａが同一形状であり、各開口パターン５ａ下の凹部３ａが同一深さｄであっても、各領域におけるパターンの配置密度（つまり周辺パターン密度）が異なる場合には、各領域における庇部Ａの張り出し幅ｗは、異なる値に設定されることになる。

また、凹部３ａの深さｄが同一であれば、第２領域１ｂに配置された開口パターン５ａを通過する露光光は同位相となる。ただし、第２領域１ｂにおいて、隣接する開口パターン５ａを通過する露光光の相差を反転させて露光光の干渉を防止しても良く、この場合には隣接する開口パターン５ａ下の凹部３ａの深さｄを露光光の波長に対応させて変化させる。またこの場合、第２領域１ｂにおける凹部３ａの深さｄが、隣接する凹部３ａ間で異なる値となるため、これに応じて、上述した庇状の張り出し幅ｗも、それぞれの値に設定されることになる。さらに、第１領域１ａには、孤立パターンとして開口パターン５ａが配置されている。このため、第１領域１ａに配置される開口パターン５ａを通過する露光光との間干渉を考慮して、第２領域１ｂに配置される開口パターン５ａ下の凹部３ａの深さｄを決める必要はない。

以上の透明基板３と遮光膜５とは、一般的な光露光用の露光マスクに使用されている材料を用いて良い。例えば、透明基板３には、合成石英（光透過率＝１００％）が用いられる。また、遮光膜５には、光透過率０〜２０％の材料として、クロム（Ｃｒ）、ハーフトーン位相シフトマスクのハーフトーン膜として一般的に用いられているフッ化クロム（ＣｒＦ）やモリブデンシリサイド（ＭｏＳｉ）等を用いることも可能である。

次に、以上のような構成の露光マスク１の作製を説明する。先ず、露光マスク１に形成する開口パターン５ａの設計データに基づき、各開口パターン５ａの転写面における光近接効果による光強度分布のばらつきを求める。この際、例えば、転写面に配置される感光性樹脂膜の解像可能な光強度（Ｉth）においてのピーク幅のばらつきを求めることとする。そして、この光強度分布（ピーク幅）のばらつきが転写面内の全域において略同一となるように、各開口パターン５ａの底部に露出する透明基板３部分に形成する凹部３ａの深さｄと、この凹部３ａの上方における庇部Ａの張り出し幅ｗを、各開口パターン５ａ毎に設定する。

以上のようにして、各開口パターン５ａにおける凹部３ａの深さｄと庇部Ａの張り出し幅ｗを設定した後、透明基板３の一主面上に形成した遮光膜５に開口パターン５ａを形成する。この開口パターン５ａは、設計データ通りの形状であって良い。

次いで、底部に凹部を設けない第１領域１ａの開口パターン５ａをレジストパターン（図示省略）で覆った状態で、このレジストパターンから露出している第２領域１ｂの各開口パターン５ａ底部を等方性エッチングする。これにより、第２領域１ｂの開口パターン５ａ底部に凹部３ａを形成すると共に、各凹部３ａの開口上部に遮光膜５の周縁を所定の張り出し幅ｗで張り出させた庇部Ａを形成する。その後、透明基板３のエッチングを異方性エッチングに切り換え、凹部３ａに設定された深さｄにまで透明基板３を掘り下げ、次いでレジストパターンを除去することで、露光マスク１を完成させる。

尚、凹部３ａの形状が各開口パターン５ａ毎に異なる場合には、上述した等方性エッチングとこれに続く異方性エッチングとは、各形状の凹部３ａ毎に、それ以外の形状の凹部が形成される開口パターン５部分をレジストパターンで覆った状態で行われることとする。

以上説明した構成の露光マスク１によれば、開口パターン５ａが密に設けられている第２領域１ｂにおいて、開口パターン５ａの底部に露出する透明基板３部分に設けられた凹部３ａと、この凹部３ａ上に遮光膜５部分を張り出させた庇部Ａとで囲まれた部分が、透明基板３側から照射されて開口パターン５ａを通過する露光光の光導波管となる。このため、この光導波管を介して開口パターン５ａを通過する露光光の光強度は、光導波管効果によって補正される。

そして、補正される露光光の光強度分布は、この露光マスク１を用いた露光の際に転写面において生じる光近接効果に由来する光強度分布の変化を補正できる程度に設定されている。このため、この露光マスク１を用いた露光においては、開口パターン５ａの配置密度がそれぞれ異なる第１領域１ａと第２領域１ｂとに対応する各転写面部分において光強度分布を略同一に保った各開口パターン５ａの転写が行われる。したがって、この露光の後に現像処理を行うことによって形成される感光性樹脂パターンは、第１領域１ａおよび第２領域１ｂの各開口パターン５ａの周辺パターン密度に依存することなく、寸法精度のばらつきが小さいものとなる。

以上の結果、設計パターンに対して開口パターン５ａを補正することなく、光近接効果を補正した露光を行うことが可能となり、解像限界付近に微細化されたパターンであっても、ＭＥＦの影響を小さく抑えた光近接効果補正を行うことが可能になり、光リソグラフィによって形成される微細パターンの寸法制度の向上を図ることが可能になる。

図２（１）、図３（１）には、２００ｎｍ×２００ｎｍの開口形状のコンタクトホールの形成を目的とした露光マスク１，１０を示し、図２（２）、図３（２）には、各露光マスクを用いた露光における光強度シミュレーションの結果を示す。

図２（１）の露光マスク１は、上述した実施形態の露光マスク１であり、図３（１）の露光マスク１０は、透明基板３に凹部を設けていない露光マスク１０である。これらの露光マスク１，１０は、凹部３ａの有無のみが異なるものであり、各第１領域１ａには２００ｎｍ×２００ｎｍの開口パターン５ａが孤立パターンとして設けられ、各第２領域１ｂには２００ｎｍ×２００ｎｍの開口パターン５ａが４００ｎｍのピッチで３列×３行配置されている。また、図２（１）に示す露光マスク１は、各凹部３ａの深さｄが、露光光（ＡｒＦ光：波長１９３ｎｍ）で位相差が生じない掘り込み量（ｄ＝３４０ｎｍ）に設定されている。

このような各露光マスク１，１０を用いた光露光のシミュレーションの条件としては、露光波長=２４８ｎｍ、レンズ開口数（ＮＡ）＝０．７５、コヒーレントファクター（σ）＝０．７５を用いた。

このシミュレーション結果より、図３（２）に示すように、凹部が設けられていない露光マスク１０を用いた光露光においては、光近接効果により、開口パターン５ａの配置密度が高い第２領域１ｂに対応する転写面における露光光の光強度分布は、第１領域１ａに対応する転写面における露光光の光強度分布よりもピーク幅が広がることが分かる。そして、孤立パターンとして設けられるコンタクトホール（孤立コンタクトホール）が＝１９９．４ｎｍに形成される光強度（Ｉth＝０．２１６）をスライスレベルとした場合、第２領域１ｂに対応する箇所に形成されるコンタクトホール（密集コンタクトホール）＝２０７．０ｎｍと、所望の寸法よりも７ｎｍ以上大きい開口形状のコンタクトホールが形成される結果となった。

これに対して、図２（２）に示すように、凹部３ａを設けた露光マスク１を用いた場合には、開口パターン５ａの配置密度が高い第２領域１ｂに対応する転写面における露光光の光近接効果が抑えられ、その光強度分布におけるピーク幅が、第１領域１ａに対応する転写面における露光光の光強度分布におけるピーク幅と同程度になる。そして、上述したスライスレベル（光強度Ｉth＝０．２１６）において、孤立コンタクトホール＝１９９．４ｎｍ、密集コンタクトホール＝１９９．４ｎｍとなり、両者が所望の寸法差で転写されることが確認された。

以上説明した実施形態においては、開口パターン５ａの配置密度が高い領域（第２領域１ｂ）に庇部Ａを有する凹部３ａを形成する構成とした。しかしながら、開口パターン５ａの配置密度が疎な領域（第１領域１ａ）に庇部Ａを有する凹部３ａを形成しても良い。この場合、庇部Ａの張り出し幅ｗを適切に調整することにより、パターンの配置密度が疎な領域の開口パターン５ａを通過した露光光の転写面における光強度を、配置密度が密な領域の開口パターン５ａを通過した露光光の転写面における光強度と同程度にまで上昇させ、スライスレベルにおけるピーク幅が均等になるようにする。

また、以上説明した実施形態においては、ポジ型の感光性樹脂に対して露光を行う場合を説明したが、ネガ形の感光性樹脂であっても、各開口パターンの周辺パターン密度によらず光強度分布が等しくなるように、庇部Ａの張り出し幅ｗを調整した凹部を設けることで同様の効果を得ることが可能になる。尚、この場合、感光性樹脂膜には、開口パターンの反転パターンが形成されることになる。

また、本発明の露光マスクは、従来のマスクバイアスやハンマーヘッド等の光近接効果補正の手法と組み合わせて使用することも可能であり、これらの手法による効果と組み合わせた効果を得ることができる。

さらに、実施形態においては、透明基板（光透過率＝１００％）３上に遮光膜（光透過率０〜２０％）５を設けた通常マスク（以下バイナリーマスク）に本発明を適用した場合を説明した。しかしながら、本発明はハーフトーン位相シフトマスクやレベンソン位相シフトマスクにも適用化可能であり、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。また、遮光膜５も、１層構造に限定されることなく、２層構造であっても良い。

実施形態の露光マスクの構成を示す図である。 本発明を適用した露光マスクと光強度分布のシミュレーション結果を示す図である。 比較となる露光マスクと光強度分布のシミュレーション結果を示す図である。 マスクバイアスＯＰＣ法を適用した場合のＬ／Ｓパターンのピッチと感光性樹脂パターンの仕上がり寸法との関係を示すグラフである。 マスクバイアスＯＰＣ法を適用した場合の解像限界付近のマスク寸法と感光性樹脂パターンの仕上がり寸法との関係を示すグラフである。

符号の説明

１…露光マスク、３…透明基板、３ａ…凹部、５…遮光膜、５ａ…開口パターン、Ａ…庇部（庇状部分）、ｗ…張り出し幅

Claims (2)

1. 透明基板と、開口パターンを有して前記透明基板の一主面上に形成された遮光膜とを備えた露光マスクであって、
   前記各開口パターンの周辺パターン密度に応じて、当該各開口パターンの周縁となる前記遮光膜部分を庇状に張り出させる状態で、当該開口パターンの底部に露出する前記透明基板部分に当該開口パターンよりも一回り大きな開口形状の凹部が設けられている
   ことを特徴とする露光マスク。
2. 請求項１記載の露光マスクにおいて、
   前記凹部上における前記遮光膜の庇状部分の張り出し幅が、前記各開口パターンの周辺パターン密度毎に調整されている
   ことを特徴とする露光マスク。
   
   

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